KR20070115933A - Vacuum measuring gauge - Google Patents

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KR20070115933A
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볼프람 크납
마르틴 뷔에스트
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인피콘 게엠베하
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Abstract

An electron-emitting cathode (6) consists of an electrically conducting emitter layer (7) attached to a side wall (2) which consists of stainless steel and a gate (9) which is fixed at a mall distance inside a concave emitter surface of the emitter layer (7). The cathode (6) surrounds a reaction area (3) containing a cylindrical grid-like anode (5) and a central ion collector (4) which consists of a straight axial filament. An ion collector current (lie) reflecting the densitiy of the gas in the reaction region (3) is measured by a current meter (11) while a gate voltage (VG) is kept between the ground voltage of the emitter layer (7) and a higher anode voltage (VA) and is regulated in such a way that an anode current (IA) is kept constant. The emitter layer (7) may consists of carbon nanotubes, diamond-like carbon, a metal or a mixture of metals or a semiconductor material, e.g., silicon which may be coated, e.g., with carbide or molybdenum. The emitter surface can, however, also be a portion of the inside surface of the side wall roughened by, e.g., chemical etching. The gate (9) may be a grid or it may be made up of patches of metal film covering spacers distributed over the emitter area or a metal film covering an electron permeable layer placed on the emitter surface.

Description

진공 계측 게이지{VACUUM MEASURING GAUGE}Vacuum measurement gauge {VACUUM MEASURING GAUGE}

본 발명은 위한 고진공 어플리케이션(high vacuum application)을 위한 진공 계측 게이지에 관계한다.The present invention relates to a vacuum gauge for high vacuum applications.

베야르-앨퍼트 형의 진공 계측 게이지가 유명하다. 통상적으로 열음극(hot cathode)은 전자 방출원으로서 이용된다. 이것은 많은 단점을 갖는다. 통상적으로 필라멘트의 모양을 갖는 열음극은, 비교적 높은 피드전압(feed voltage)을 일정하게 공급할 수 있는 피드회로(feed circuit)를 필요로 하는 전류에 의해 가열되는 것이 필요하다. 음극(cathode)은, 정확하지 예측할 수 없게 측정 결과에 영향을 미칠 수도 있고 다른 측정에 대한 바람직하지 않은 방해로 이끌 수도 있는, 전자기 방사선을 방출한다. 열음극은 또한 가열될 때 흡입한 기체 분자를 배출하고 기체들과 화학적으로 반응하는 경향이 있고, 이는 다시 측정 결과에 영향을 미칠 수도 있다. 이는 통상적으로 산업 공정에서 종종 피할 수 없는 진동에 민감하다. 이것은 측정의 정확성의 저하를 다시 초래할 수도 있고, 시간이 지나면서 심지어 음극의 파괴로 이어질 수도 있다. 방출된 전자의 운동 에너지는 비교적 넓은 간격으로 분배되는데, 이는 효율을 감소시키고 또한 게이지의 감도의 변동으로 이어질 수도 있 다.Belar-Alpert vacuum gauges are famous. Hot cathodes are commonly used as electron emission sources. This has many disadvantages. Typically, a hot cathode in the form of a filament needs to be heated by a current that requires a feed circuit capable of constantly supplying a relatively high feed voltage. The cathode emits electromagnetic radiation, which may incorrectly and unpredictably affect the measurement results and lead to undesirable interference with other measurements. Hot cathodes also tend to release gas molecules that are sucked when heated and chemically react with the gases, which in turn may affect the measurement results. It is typically sensitive to vibrations which are often inevitable in industrial processes. This may again lead to a drop in the accuracy of the measurement, and may even lead to the destruction of the cathode over time. The kinetic energy of the emitted electrons is distributed at relatively wide intervals, which reduces the efficiency and may also lead to variations in the sensitivity of the gauge.

미국 공개공보 제 5,278,510 호는, 필수적인 실린더형 하우징 내에, 동축선(axial wire)의 형태로서 이온 콜렉터가 배열되고 실린더형 그리드 같은 양극(anode)에 의해 둘러싸인 전계 방출 음극(field emission cathode)을 수반하는, 일반적인 형태의 베야르-앨퍼트(Bayard-Alpert) 진공 계측 게이지를 보여준다. 양극과 하우징 사이에, 양극 및 이온 콜렉터와 접하는 전자 방출 전계 방출 음극(electron-emitting field emission cathode)이 배열된다. 이러한 형태의 음극들은 상당한 장점을 제공한다. 이들은, 열을 발산하지 않고 넓은 온도 범위에서 기능하는, 기계적으로 견고한 고상(solid state)의 구성요소이다. 이들은 일반적으로, 접근하고 보상하기 어렵게 하는 방법으로 측정 결과에 영향을 줄 수도 있는, 부작용을 일으키지 않는다.U.S. Patent No. 5,278,510 discloses, in an essential cylindrical housing, an ion collector arranged in the form of an axial wire and enclosed by a field emission cathode surrounded by an anode, such as a cylindrical grid. Shows a typical Bayer-Alpert vacuum gauge. Between the anode and the housing is arranged an electron-emitting field emission cathode in contact with the anode and the ion collector. Cathodes of this type offer significant advantages. These are mechanically rigid solid state components that function over a wide temperature range without dissipating heat. They generally do not cause side effects, which may affect the measurement results in a way that is difficult to access and compensate for.

상기 언급된 특허 공개공고에서 기술된 바와 같은 진공 계측 게이지에서, 상기 전계 방출 음극은 마이크로포인트(micropoint)를 갖는 스핀트형의 음극(Spindt type cathode)으로서, 평면 이미터 영역을 갖는 사각 플레이트(square plate) 형상이다. 이 평면 구성에 기인하여 이미터 영역은 상대적으로 작아질 수밖에 없다. 또한, 이는 양극 내부로부터, 특히 이온 콜렉터의 위치에서 바라볼 때 작은 입체각만을 커버한다.In the vacuum measurement gauge as described in the above-mentioned patent publication, the field emission cathode is a Spindt type cathode having a micropoint, a square plate having a flat emitter area. ) Shape. Due to this planar configuration, the emitter region is inevitably smaller. It also covers only a small solid angle from the inside of the anode, especially when viewed from the position of the ion collector.

높은 정확성을 위해, 특히 매우 낮은 압력에서, 높은 이온화율이 필요하다. 이것은, 좁은 이미터 영역으로부터 높은 효율로 전자를 추출함으로써만이 형성될 수 있는 높은 전자 밀도에 의해 오직 달성될 수 있는데, 높은 효율로 전자를 추출 하는 것은 그곳이 높은 전자 이동 밀도(electron flow density)를 갖는다는 것을 의미하며, 상기 높은 전자 이동 밀도는 높은 품질의 이미터 면 이외에 증가된 전기장의 세기를 차례로 필요로 한다. 후자의 요건은 마모를 초래하는, 소재의 심각한 응력변형을 일으킬 수도 있는데, 예컨데 스퍼터링으로 인하여, 그로써 게이지의 수명이 감소된다. 또한, 높은 전위차의 제공의 필요성은 제어 회로에 보다 엄격한 설계 요건을 부과한다.For high accuracy, especially at very low pressures, high ionization rates are needed. This can only be achieved by high electron density, which can only be formed by extracting electrons at high efficiency from a narrow emitter region, where electron extraction with high efficiency is at the expense of high electron flow density. The high electron transfer density, in turn, requires increased electric field strength in addition to the high quality emitter plane. The latter requirement may cause severe stress deformation of the material, leading to wear, for example due to sputtering, thereby reducing the life of the gauge. In addition, the need to provide a high potential difference imposes more stringent design requirements on the control circuit.

본 발명의 요약Summary of the invention

전자 방출 음극 상의 적당한 구성요소로 높은 전자 밀도를 달성함으로써 희박한 기체 내의 이온의 높은 발생률을 보장하는 일반적인 유형의 진공 계측 게이지를 제공하는 것은 본 발명의 목적이다. 이 목적은 청구항 1의 특징부의 양태에 의해 달성된다.It is an object of the present invention to provide a general type of vacuum measurement gauge which achieves high electron density with suitable components on the electron emitting cathode, thereby ensuring a high incidence of ions in the lean gas. This object is achieved by an aspect of the features of claim 1.

본 발명에 따른 진공 계측 게이지에서는, 보다 큰 이미터 영역이 주어진 크기의 하우징에 수용될 수 있다. 전극 구성은 보다 큰 이미터 영역을 수반한다. 이미터 면이 커질 수 있음에 따라, 상기 이미터 면에 요구되는 전자 이동 밀도가 비교적 낮아질 수 있고, 그리하여 적당한 전계의 세기이면 통상적으로 충분할 것이다. 이것은 음극상의 요건을 강화하고, 이미터 면을 위한 소재 및 구조의 보다 넓은 선택을 가능하게 한다.In the vacuum metrology gauge according to the invention, a larger emitter area can be accommodated in a housing of a given size. The electrode configuration involves a larger emitter area. As the emitter plane can be made large, the electron transfer density required for the emitter plane can be relatively low, so that an appropriate electric field strength will typically be sufficient. This reinforces the requirements of the cathode phase and allows a wider selection of materials and structures for the emitter face.

많은 경우 솔루션(solution)을 제조하는데 상대적으로 저렴하고, 용이한 것이 실용적일 수 있을 것이다. 상기 이미터 영역은, 하우징 벽의 면 상의 이미터 층 에 의해 또는 심지어 벽면 그 자체에 의해 형성될 수 있는데, 벽면 그 자체에 의해 형성되는 경우에 진공 계측 게이지는 특히 간단하고 기계적으로 안정하다.In many cases, it may be practical to be relatively inexpensive and easy to manufacture a solution. The emitter region can be formed by an emitter layer on the face of the housing wall or even by the wall itself, where the vacuum gauge is particularly simple and mechanically stable when formed by the wall itself.

이미터 영역이 오목형이고 이온 콜렉터를 포함하는 반응 구역을 부분적으로 둘러싸는 경우에서, 음극에 의해 방출된 전자들은 그들이 결국 양극에 도달할 때까지 반응 구역 내에 머물 것이다. 그들은 반응 구영 내의 희박한 기체의 분자와 반복적으로 충돌할 것이고, 그럼으로써 측정 과정에 이용될 수 있는 이온을 생산할 것이다. 단지 상기 전자들 중 작은 일부만이 이탈할 것이고 상대적으로 짧은 궤도를 따라 하우징에 도달할 것이며, 심지어 이를 방해하기 위해 이미터 전압보다 낮은 전압으로 상기 하우징을 유지하는 것과 같은 특별한 수단이 취해지지 않는 경우에서도 그러하다. 음극으로부터의 적은 전자 이동에도, 반응 구역 내의 전자 밀도는 높을 것이고 이온의 높은 발생이 보장된다.In the case where the emitter region is concave and partially surrounds the reaction zone containing the ion collector, the electrons emitted by the cathode will stay in the reaction zone until they eventually reach the anode. They will repeatedly collide with molecules of the lean gas in the reaction sphere, thereby producing ions that can be used in the measurement process. Only a small fraction of the electrons will break out and reach the housing along a relatively short orbit, even if no special measures are taken, such as maintaining the housing at a voltage lower than the emitter voltage to prevent this. It is true. Even with small electron transfer from the cathode, the electron density in the reaction zone will be high and the high generation of ions is ensured.

성취 가능한 높은 이온 발생은, 기체 분자의 배출(desorption)과 같은 부작용의 배재와 함께 아주 낮은 밀도까지의 측정 범위의 연장을 가능하게 한다. 그와 동시에, 요구되는 전압이 비교적 작아지며, 이는 낮은 전력 소비와 함께 다소 간단하고 저렴한 제어 회로의 이용을 가능하게 한다.Achievable high ion generation allows the extension of the measurement range to very low densities with the exclusion of side effects such as the desorption of gas molecules. At the same time, the required voltage is relatively small, which allows the use of a rather simple and inexpensive control circuit with low power consumption.

이하, 단지 구현예로서 도시되는 도면을 참조하여 보다 상세하게 본 발명이 설명된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings, which are only shown as embodiments.

도 1은 본 발명에 따른 진공 계측 게이지의 제 1 구현예를 관통하는 종단면 도를 도시하고,1 shows a longitudinal sectional view through a first embodiment of a vacuum measurement gauge according to the invention,

도 2는 도 1의 II-II를 따라 진공 계측 게이지를 관통하는 횡단면도를 도시하며,FIG. 2 shows a cross sectional view through a vacuum measurement gauge along II-II of FIG. 1,

도 3은 단순화된 제어 회로를 수반하면서 도 1, 2에서 도시된 구성과 본질적으로 같은 진공 계측 게이지의 제 2 구현예를 관통하는 종단면도를 도시하고,FIG. 3 shows a longitudinal cross-sectional view through a second embodiment of a vacuum metrology gauge essentially the same as the configuration shown in FIGS. 1 and 2, with a simplified control circuit,

도 4는 본 발명에 따른 압력 계측 게이지의 제 3 구현예를 관통하는 종단면도를 도시하며,4 shows a longitudinal sectional view through a third embodiment of a pressure measurement gauge according to the invention,

도 5는 도 4의 V-V를 따라 진공 계측 게이지를 관통하는 횡단면도를 도시한다.FIG. 5 shows a cross-sectional view through the vacuum gauge gauge along V-V of FIG. 4.

도 1, 2의 본 발명에 따른 진공 계측 게이지의 구현예는 기초판 1 및 상기 기초판 1에 장착된 측벽 2를 수반하는 하우징을 포함하고, 상기 측벽 2는 측면으로 실린더형 반응 구역(reaction region) 3를 둘러싸며, 상기 반응 구역 3은 기체 압력이 측정될 진공 챔버와 연결되기 위해 최상부가 개방되어 있다. 기초판 1 및 측벽 2는 함께 하우징을 형성한다. 바람직하게 이들은 각각 전기 전도성 물질, 특히 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 구성된다. 반응 구역 3의 축에서 이온 콜렉터 4는 곧고 가는 축 필라멘트 또는 와이어(axial filament or wire) 형태로서 배열되고, 이는 필수적으로 실리더형인 그리드 같은 양극 5, 예컨데 나선형의 와이어에 의해 둘러싸인다. 이온 콜렉터 4 및 양극 5 각각은 금속 또는 합금으로 구성되는데, 예컨데, 텅스텐 또는 스테인레스 스틸의 이온 콜렉터 4와 텅스텐, 백금-이리듐 합금 또는 스테인레스 스틸의 양극 5가 있다. 반응 구역의 직경은 바람직하게 1㎝내지 8㎝이고, 보다 바람직하게 1㎝ 내지 6㎝이며, 그 높이는 2㎝ 내지 8㎝이고, 보다 바람직하게 2㎝ 내지 5㎝이다.An embodiment of the vacuum metrology gauge according to the invention of FIGS. 1, 2 comprises a base carrying a base plate 1 and a side wall 2 mounted on the base plate 1, the side wall 2 being a cylindrical reaction region laterally. 3), the reaction zone 3 is open at the top to connect with the vacuum chamber in which the gas pressure is to be measured. Base plate 1 and side wall 2 together form a housing. Preferably they are each composed of an electrically conductive material, in particular stainless steel or aluminum. In the axis of reaction zone 3 the ion collector 4 is arranged in the form of a straight and thin axial filament or wire, which is essentially surrounded by an anode 5, for example a helical grid, such as a spiral wire. Ion collector 4 and anode 5 each consist of a metal or alloy, for example ion collector 4 of tungsten or stainless steel and anode 5 of tungsten, platinum-iridium alloy or stainless steel. The diameter of the reaction zone is preferably 1 cm to 8 cm, more preferably 1 cm to 6 cm, its height is 2 cm to 8 cm, more preferably 2 cm to 5 cm.

측벽 2의 대부분은 이와 동시에 전자 방출 전계 방출 음극 6을 위한 지지벽으로서 제공되는데, 상기 음극은 상기 측벽의 내부 면에 부착되고 상기 측벽을 사실상 완전히 커버한다. 전계 방출 음극 6은 이미터 영역을 제공하는데, 실린더형의 큰 오목면이 이온 콜렉터 4와 양극 5를 동심원으로 둘러싼다. 반응 구역 3의 중심에서 볼 때, 다시 말해, 중간 높이에서의, 축 상, 즉 이온 콜렉터 4 상의 점에서 볼 때, 이미터 영역은 전체 입체각 4π의 약 3분의 2를 커버한다. 이미터 영역은, 측벽 2에 부착되고 전기적으로 그것과 접속되며 전체 이미터 영역을 필수적으로 커버하는 전기 전도 물질의 이미터 층 7에 의해 형성된 이미터 면을 포함한다. 절연 스페이서 8은 이미터 영역에 분포되고, 이미터 면을 차단하는 좁은 스트립(strip)을 형성한다. 스페이서 8은, 이미터 면의 전면에 필수적으로 일정한 거리로 배열되고 이미터 층 7로부터 전기적으로 절연된 전기 전도 물질의 전자 침투성 게이트(electron-permeable gate) 9를 지지한다. 상기 일정한 거리는 대략 1㎛ 내지 5㎜일 수도 있으나, 그보다 작은, 즉 1㎛ 내지 200㎛가 바람직하고, 5㎛ 내지 200㎛이 보다 바람직하며, 예컨데 대체로 10㎛인 것이 좋다. 바람직하게, 이미터 면과 이온 콜렉터 4 사이의 거리는 이미터 면으로부터의 게이트 9의 거리에 적어도 20배인 것이 좋다.Most of the sidewalls 2 at the same time serve as a support wall for the electron emission field emission cathode 6, which is attached to the inner face of the sidewall and substantially completely covers the sidewall. The field emission cathode 6 provides an emitter area where a large cylindrical concave surface surrounds the ion collector 4 and the anode 5 concentrically. Viewed from the center of reaction zone 3, that is to say from the point of axial, i.e., ion collector 4, at intermediate heights, the emitter region covers about two thirds of the total solid angle 4π. The emitter region comprises an emitter face formed by emitter layer 7 of an electrically conductive material attached to and electrically connected to sidewall 2 and essentially covering the entire emitter region. Insulation spacer 8 is distributed in the emitter region and forms a narrow strip that blocks the emitter face. Spacer 8 supports an electron-permeable gate 9 of electrically conductive material arranged at essentially constant distances in front of the emitter face and electrically insulated from emitter layer 7. The constant distance may be approximately 1 µm to 5 mm, but smaller, that is, 1 µm to 200 µm, more preferably 5 µm to 200 µm, for example, generally 10 µm. Preferably, the distance between the emitter face and the ion collector 4 is at least 20 times the distance of the gate 9 from the emitter face.

이온 콜렉터 4, 양극 5, 및 게이트 9는 절연 피드스루를 통해서 제어 회로 10으로 접속되는데, 상기 절연 피드스루는 기초판 1 내에 유리 또는 유리-세라믹으로 구성될 수도 있고, 상기 제어 회로는 또한 접지된 하우징으로 전기 접속되고 상기 하우징을 통해서 이미터 층 7로 접속된다. 제어 회로 10은, 이온 콜렉터 전류 IIC 를 측정하기 위한 이온 콜렉터 4와 접지 사이의 전류계 11; 접지 전압 위 양극 전압 VA로 양극 5를 유지하고, 양극 전류 IA를 측정하고 출력 전압 VI에 의해 상기 양극 전류를 나타내는 전류계 13을 통해 접지와 접속되는 양극 접압원 12; 및 게이트 9에 게이트 접압 VG -대략 접지 전압과 양극 접압 VA 사이- 를 제공하고, 게이트 전류 IG를 측정하는 전류계 15를 통해 접지에 접속되는 제어 가능한 전압원 14를 포함하도록 그림으로 도시된다. 제어 가능한 전압원 14는 기준 전압 VR과 전류계 13의 출력 전압 VI를 비교하는 조정기 16에 의해 제어된다. 이는, 양극 전류 IA를 나타내는 전류계 13의 출력 전압 VI가 기준 전압 VR 아래로 떨어질 때마다, 게이트 전압 VG가 증가 되도록 만들고, 그 역 또한 같다. 그래서 전계 방출 음극 6으로부터의 전자 방출을 반영하는 양극 전류 IA는 게이트 전압 VG의 제어 및 그로써 상기 전자 방출의 제어를 하기 위한 제어 전류로서 사용된다. 이는 좁은 범위 내에서 게이트 전압 VG의 적절한 제어에 의해 설정값에서 일정하게 유지된다. 택일적으로, 게이트 전압 VG는 펄스될 수 있다.Ion collector 4, anode 5, and gate 9 are connected to control circuit 10 through an insulation feedthrough, which may be constructed of glass or glass-ceramic within base plate 1, the control circuit also being grounded. It is electrically connected to the housing and through the housing to the emitter layer 7. The control circuit 10 includes an ammeter 11 between the ion collector 4 and ground for measuring the ion collector current I IC ; An anode contact source 12 which maintains anode 5 at anode voltage V A above ground voltage, measures anode current I A and is connected to ground via ammeter 13 representing the anode current by output voltage V I ; And a controllable voltage source 14 which provides a gate contact V G -between the ground voltage and the positive contact V A -to gate 9 and is connected to ground via an ammeter 15 measuring the gate current I G. The controllable voltage source 14 is controlled by regulator 16 which compares the reference voltage V R with the output voltage V I of the ammeter 13. This causes the gate voltage V G to increase whenever the output voltage V I of the ammeter 13 representing the anode current I A falls below the reference voltage V R , and vice versa. The anode current I A thus reflecting the electron emission from the field emission cathode 6 is used as the control current for controlling the gate voltage V G and thereby controlling the electron emission. This is kept constant at the set value by proper control of the gate voltage V G within a narrow range. Alternatively, the gate voltage V G can be pulsed.

전계 방출 음극 6의 이미터 층 7은 다양한 방법으로 실현될 수 있다. 이는, 탄소 나노튜브; 유사 다이아몬드 탄소(diamond-like carbon); 금속 또는 예컨데 몰리브덴, 텅스텐 또는 니켈을 포함하는 금속 혼합물; 또는 반도체 물질, 예컨데 카바이드 또는 몰리브덴 등으로 코팅될 수도 있는 실리콘의 배열일 수 있다. 여하튼 이미터 면은, 높은 국소 전계 강도(local field strength)가 이루어지는 날카로운 모서리나 첨점(point)을 수반하면서 거칠어야 한다. 실린더형을 대신하여, 이미터 영역의 형태는 프리즘형 또는 적어도 부분적으로 구형일 수 있다. 이미터 층은 CVD 또는 다른 알려진 방법을 이용하여 적용된 얇은 층일 수 있다.The emitter layer 7 of the field emission cathode 6 can be realized in various ways. This includes carbon nanotubes; Diamond-like carbon; Metals or metal mixtures including molybdenum, tungsten or nickel; Or an array of silicon that may be coated with a semiconductor material, such as carbide or molybdenum. In any case, the emitter face must be rough, accompanied by sharp edges or points where high local field strength is achieved. Instead of a cylinder, the shape of the emitter region may be prismatic or at least partially spherical. The emitter layer can be a thin layer applied using CVD or other known methods.

측벽 2가 금속, 바람직하게 스테인레스 스틸로 구성된다면, 이는, 이미터 면의 큰 크기 때문에, 기계적인 방법, 또는 바람직하게는 에칭, 예컨데 플라즈마 에칭, 또는 보다 바람직하게는 화학적 에칭으로, 단지 상기 벽의 내부 면을 거칠게 함으로써 적당한 이미터 면을 제공하기에 충분할 수 있다. 단순한 에칭 공정은, 심지어 마스크 또는 다른 사용되는 구조용 도구 없이도, 날카로운 모서리와 첨단(tip)을 수반하는 거친 면을 생산할 것이고, 여기서 전기장은 단순히 벽 물질의 그레인(grain)을 내놓음으로써 충분한 수준의 전자 방출을 일으키기에 충분하게 상승되는 국소 최대치에 도달한다. If side wall 2 consists of a metal, preferably stainless steel, this is due to the large size of the emitter face, which is due to the mechanical method, or preferably by etching, for example by plasma etching, or more preferably by chemical etching. Roughing the inner surface may be sufficient to provide a suitable emitter surface. A simple etch process will produce a rough surface with sharp edges and tips, even without a mask or other structural tool used, where the electric field simply produces a sufficient level of electrons by releasing the grain of the wall material. A local maximum is reached that is elevated enough to cause release.

이는 물론 다른 형태, 특히 일반적인 곡선형, 다시 말해, 예컨데 오목구형 또는 물결형 또는 볼록형의 비평면 이미터 영역을 갖는 형태를 구비한 이미터 영역에 의해 커버되는 면부(surface portion)를 수반하는 벽을 제공하는 것을 가능하게 한다. 바람직한 전기적 성질에 의해 요구되는 소규모의 거친 면 이외에, 상기 면은, 보다 큰 규모로, 필수적으로 매끄럽거나 또는 피스(piece)가 만나는 모서리와 함께 구분적으로 매끄러울 수 있으며 심지어 구분적으로 평면일 수 있다. 전체 구성은, 전체 평면 구성의 그것과 비교하여 이미터의 면의 영역이 강화되도록, 비평면인 것이 바람직하다. 상기 이미터 영역은, 예컨데 0.5㎠에서 80㎠ 사이, 바람직하게는 1㎠에서 50㎠ 사이를 커버한다.This, of course, involves walls with surface portions covered by emitter regions having a different shape, in particular having a generally curved, ie concave or wavy or convex non-planar emitter area. Makes it possible to provide. In addition to the small coarse face required by the desired electrical properties, the face may be, on a larger scale, essentially smooth or even smoothly with the corners where the pieces meet and even separately flat. Can be. The overall configuration is preferably nonplanar so that the area of the face of the emitter is strengthened compared to that of the overall planar configuration. The emitter area covers, for example, between 0.5 cm 2 and 80 cm 2, preferably between 1 cm 2 and 50 cm 2.

상기 게이트 9는 금속 와이어로 만든 와이어 메쉬이거나또는 예컨데 니켈 몰리브덴 또는 스테인레스 스틸 등의 금속으로 된 그리드일 수 있으며, 단 상기 금속은 스퍼터 저항성(sputter-resistant)이어야 한다. 또 다른 가능성은 고르게 분포된 스페이서의 비교적 밀한 어레이(array)를 제공하는 데 있는데, 상기 스페이서는 상기 이미터 면과 게이트 사이의 바람직한 거리에 상응하는 거리로 이미터 면 위로 솟아 있고, 여기에서 지지벽으로부터 반대방향을 향하는 상기 면은 함께 게이트를 형성하는 얇은 금속 필름의 패치(patch)로 커버된다. 이 경우 상기 이미터 영역은 단속적인 이미터 면과 상보적인 게이트 면으로 분할되며, 상기 전기장의 세기가 그 경계에서 최대가 된다. 스페이서는 또한 특히 후자의 경우에 CVD 또는 유사한 방법에 의해 적용될 수 있고, 패치는 알려진 반도체 제조방법에 의한 스페이서를 통해 전기적으로 서로 접속되고 더 나아가 제어 가능한 전압원 14에 접속된다.The gate 9 may be a wire mesh made of metal wire or a grid of metal such as nickel molybdenum or stainless steel, provided that the metal is sputter-resistant. Another possibility is to provide a relatively dense array of evenly distributed spacers, where the spacers rise above the emitter face at a distance corresponding to the desired distance between the emitter face and the gate, where the support wall The faces facing away from are covered with a patch of thin metal film that together form a gate. In this case, the emitter region is divided into intermittent emitter planes and complementary gate planes, the intensity of the electric field being maximum at its boundary. The spacers can also be applied, in particular in the latter case, by CVD or similar methods, and the patches are electrically connected to each other and further to a controllable voltage source 14 via spacers by known semiconductor manufacturing methods.

절연된 스페이서 대신, 다른 스페이서 수단은 몇 마이크로미터의 두께를 갖는 다공성 스페이서 층, 예컨데 마이크로홀(microhole)을 갖는 세라믹 호일(ceramic foil) 같은 것이 사용될 수 있다. 상기 게이트는 그래서 스페이서 층의 면을 커버하는 얇은 금속 필름의 형태를 취할 수 있다.Instead of an insulated spacer, other spacer means may be used, such as a porous spacer layer having a thickness of several micrometers, such as a ceramic foil having microholes. The gate can thus take the form of a thin metal film covering the face of the spacer layer.

여하튼, 이미터 면과 게이트 사이의 좁은 간격에 기인하여, 심지어 200V에서 1,000V 사이, 바람직하게는 200V에서 600V 사이, 예컨데 300V일 수도 있는 비교적 작은 게이트 전압 VG로 강력한 전기장이 이미터 면에 형성되고, 이는 사용된 게이트의 유형에 따라 비교적 균질하거나 다소 비균질할 수 있다. 여하튼, 이미터 면에서의 높은 전계의 세기는, 전계 방출 음극 6과 양극 5 사이의 전기장에 의해 더 가속되는 전자의 상기 이미터 면으로부터의 추출을 일으킨다. 상기 전자들은 반응 구역 3 내에서 희박한 기체의 분자와 충돌하여 그들의 이온화를 야기한다.In any case, due to the narrow spacing between the emitter face and the gate, a strong electric field is formed on the emitter face with a relatively small gate voltage V G which may even be between 200V and 1,000V, preferably between 200V and 600V, for example 300V. Which may be relatively homogeneous or somewhat heterogeneous depending on the type of gate used. In any case, the high field strength at the emitter plane results in the extraction from the emitter plane of electrons further accelerated by the electric field between the field emission cathode 6 and anode 5. The electrons collide with molecules of the lean gas in reaction zone 3 causing their ionization.

양이온들은 그들이 전자를 취하는 이온 콜렉터 4에 끌어 당겨지고, 그로써 이온들이 생산되는 비율과 필수적으로 비례하는 이온 콜렉터 전류 IIC를 발생시킨다. 이온화 과정에서 생산된 것들은 물론 음극 6에 의해 방출된 전자들도 상기 양극 5로 결국 끌어 당겨져, 양극 전류 IA를 일으킨다. 이미터 면에서 추출된 일부의 전자들는 게이트 9에 붙잡혀 게이트 전류 IG를 일으킨다. 또 다른 일부의 전자들은 기초판 1 또는 측벽 2로 이탈할 수도 있다. 이 효과는 측정의 결과에 영향을 미치지 않으나, 이온화 과정의 감소된 효율을 초래할 수도 있다. 그러나 이미터 영역의 큰 크기에 기인하여 그리고 2π 또는 그 이상, 즉 전체 4π 중에 50% 또는 그 이상인 그것에 의해 커버되는 입체각으로 이러한 유형의 손실은 아주 작게 유지된다.The cations are attracted to ion collector 4 where they take electrons, thereby generating an ion collector current I IC which is essentially proportional to the rate at which ions are produced. The electrons emitted by the cathode 6 as well as those produced in the ionization process are eventually attracted to the anode 5, causing the anode current I A. Some of the electrons extracted from the emitter surface are trapped in the gate 9 to produce the gate current I G. Another portion of the electrons may deviate to the base plate 1 or the side wall 2. This effect does not affect the results of the measurements but may lead to reduced efficiency of the ionization process. However, due to the large size of the emitter area and the solid angle covered by it being 2π or more, ie 50% or more of the total 4π, this type of loss remains very small.

양극 전류 IA가 일정하게 유지될 때, 이온 콜렉터 전류 IIC는 반응 구역 3 내에 기체 분자의 밀도의 측정치이다. 그러나 게이트 전압의 적정한 조정에 의해 음극 전류 또는 게이트 전류를 일정하게 유지하게 하는 것 또한 가능하다. 기술된 압력 계측 기기는 10-1mbar부터 10-13mbar까지, 바람직하게는 10-2mbar부터 10-11mbar까지의 범위에서의 압력을 측정하는데 적합하다.When the anode current I A remains constant, the ion collector current I IC is a measure of the density of gas molecules in reaction zone 3. However, it is also possible to keep the cathode current or the gate current constant by appropriate adjustment of the gate voltage. The pressure measuring instruments described are suitable for measuring pressures in the range from 10 −1 mbar to 10 −13 mbar, preferably in the range from 10 −2 mbar to 10 −11 mbar.

도 3에 도시된 본 발명에 따른 진공 계측 게이지의 구현예는상술된 것과 매우 유사하고, 단지 제어 회로 10이 양극 전압이 따로 제어되지 않고 양극 전류가 모니터되지 않는 점에서 다소 단순하다. 상응하는 부분이 동일한 참고 번호로 표시되고 상세한 것은 도 1, 2에 따른 압력 계측 기기의 설명에서 알 수 있다. The implementation of the vacuum metrology gauge according to the invention shown in FIG. 3 is very similar to that described above, and is rather simple in that the control circuit 10 is not controlled separately and the anode current is not monitored. Corresponding parts are denoted by the same reference numerals and details can be found in the description of the pressure measuring instrument according to FIGS. 1 and 2.

게이트 전압 VG를 생산하는 제어 회로 10의 제어 가능한 전압원 14는 조정기 16에 의해 다시 제어되는데, 상기 조정기 16은 여기서 제어 전류로서 제공되는 하우징으로부터의 음극 전류 IC를 측정하는 전류계 17의 출력 전압을 불변의 기준 전압 VR과 비교한다. 양극 5는 게이트 9와 병렬로 제어 가능한 전압원 14에 접속되고, 따라서 동일한 전압에서 유지된다. 전류계 11에 의해 측정된 이온 콜렉터 전류 IIC는 다시 반응 구역 3 내에서 기체 분자의 밀도의 측정치가 된다. 양극 5는 반응 구역 3에 전기장을 구현하기 위해 제공되나 그것이 절대적으로 요구되는 것은 아니다. 양극이 없는 전극 구성은 통사적으로 또한 충분할 수 있다.The controllable voltage source 14 of the control circuit 10 producing the gate voltage V G is again controlled by the regulator 16, which regulates the output voltage of the ammeter 17 which measures the cathode current I C from the housing here provided as the control current. Compare with constant reference voltage V R. The anode 5 is connected to a controllable voltage source 14 in parallel with the gate 9 and is therefore maintained at the same voltage. The ion collector current I IC, measured by ammeter 11, is again a measure of the density of gas molecules in reaction zone 3. Anode 5 is provided to implement an electric field in reaction zone 3 but it is not absolutely required. An electrode configuration without an anode may syntactically also be sufficient.

도 4, 5는 단지 그러한 구성을 구비한 본 발명에 따른 진공 계측 게이지에 대한 특별히 간단하고 견고하며 저비용인 제 3 구현예를 도시한다. 제어 회로 10은 제 2 구현예의 것과 유사하나, 또 다시 반응 구역 3 내의 압력의 측정치인 이온 컬렉터 전류 IIC 이외에, 게이트 전류 IG만이 측정되고 게이트 전압 VG를 제어하는데 사용되는 점에서 보다 간단하다. 결과적으로, 두 피드스루만이 존재한다. 이미터 면은 스테인레스 스틸로 구성된 측벽 2의 대부분의 내부 면에 의해 형성된다. 상기 면부는 화학적 에칭에 의해 거칠게 만들어지고, 그리드 8에 의해 커버된다. 그러므로 분리된 이미터 층은 존재하지 아니한다.Figures 4 and 5 show a third embodiment, which is particularly simple, robust and low cost, for a vacuum measurement gauge according to the invention with just such a configuration. The control circuit 10 is similar to that of the second embodiment, but again simpler in that only the gate current I G is measured and used to control the gate voltage V G , in addition to the ion collector current I IC , which is a measure of the pressure in the reaction zone 3. . As a result, there are only two feedthroughs. The emitter face is formed by most of the inner face of side wall 2 made of stainless steel. The face is roughened by chemical etching and covered by grid 8. Therefore, no separate emitter layer exists.

참고도면 부호의 리스트List of Reference Drawings

1 기초판(base plate) 1 base plate

2 측벽(side wall)2 side walls

3 반응 구역(reaction region)3 reaction region

4 이온 콜렉터(ion collector)4 ion collector

5 양극(anode)5 anode

6 음극(cathode) 6 cathode

7 이미터 층(emitter layer)7 emitter layer

8 스페이서(spacer)8 spacer

9 게이트(gate)9 gate

10 제어 회로(control circuit)10 control circuit

11 전류계(current meter)11 current meter

12 전압원(voltage source)12 voltage source

13 전류계(current meter)13 current meter

14 제어 가능한 전압원(controllable voltage source)14 controllable voltage source

15 전류계(current meter)15 current meter

16 조정기(regulator)16 regulator

17 전류계(current meter)17 current meter

IA 양극 전류(anode current)I A anode current

IC 음극 전류(cathode current)I C cathode current

IIC 이온 콜렉터 전류(ion collector current)I IC ion collector current

IG 게이트 전류(gate current)I G gate current

VA 양극 전압(anode voltage)V A anode voltage

VG 게이트 전압(gate voltage)V G gate voltage

VI 출력 전압(output voltage)V I output voltage

VR 기준 전압(reference voltage)V R reference voltage

Claims (23)

전기 전도성 물질로 구성되고 반응 구역(reaction region, 3)의 범위를 정하는 내부 벽면을 형성하는 벽을 갖는 하우징(housing),A housing made of an electrically conductive material and having a wall forming an inner wall defining a range of a reaction region 3, 이미터 면(emitter surface)에 의해 적어도 단속적으로 취해지는 이미터 영역(emitter area)을 갖는, 반응 구역(3)으로 전자를 방출하기 위한 전계 방출 음극(field emission cathode, 6),A field emission cathode 6 for emitting electrons to the reaction zone 3, having an emitter area taken at least intermittently by the emitter surface, 상기 이미터 영역을 단속적으로 커버하고, 이미터 면으로부터 전기적으로 절연되며, 필수적으로 일정한 게이트 간격(gate distance)으로 이미터 면으로부터 상기 이미터 면의 법선 방향으로 상기 게이트를 이격시키는 전기 절연 스페이서 수단에 의해 지지되는 전기 전도 게이트(9)로서, 피드스루가 상기 게이트(9)에 접속되어 하우징을 통하여 외부로 인도하는 전기 전도 게이트(9), 및Electrically insulating spacer means for intermittently covering the emitter area and electrically insulated from the emitter face and spaced the gate away from the emitter face in the normal direction of the emitter face with an essentially constant gate distance An electrically conducting gate (9) supported by an electrically conducting gate (9), the feed-through of which is connected to said gate (9) and guides it out through a housing; 전계 방출 음극(6)으로부터 거리를 두어 반응 구역(3) 내부에 배열되는 이온 콜렉터(4)로서, 피드스루가 상기 이온 콜렉터(4)에 접속되어 하우징을 통하여 외부로 인도하는 이온 콜렉터(4)를 포함하는 진공 계측 게이지로서, An ion collector 4 arranged within the reaction zone 3 at a distance from the field emission cathode 6, with a feedthrough connected to the ion collector 4 and leading outwards through the housing. As a vacuum measurement gauge comprising: 이미터 영역이 벽면에 배열되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.Vacuum measurement gauge, characterized in that the emitter area is arranged on the wall. 제1항에 있어서, 상기 이온 콜렉터(4)에 위치한 하나 이상의 점에서 바라볼 때 이미터 영역에 의해 커버된 입체각이 2π 이상인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.2. The vacuum gauge of claim 1, wherein the solid angle covered by the emitter area when viewed from at least one point located in the ion collector is at least 2π. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미터 영역이 0.5㎠ 내지 80㎠, 바람직하게는 1㎠ 내지 50㎠을 커버하는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.The vacuum gauge of claim 1 or 2, wherein the emitter area covers 0.5 cm 2 to 80 cm 2, preferably 1 cm 2 to 50 cm 2. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 이미터 면으로부터의 이온 콜렉터(4)의 최소 거리가 게이트 간격의 20배 이상인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 3, wherein the minimum distance of the ion collector (4) from the emitter surface is at least 20 times the gate spacing. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 이미터 영역이 적어도 부분적으로 오목한 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.The vacuum gauge of any one of the preceding claims, wherein the emitter region is at least partially concave. 제5항에 있어서, 이미터 영역은 하나 이상의 오목한 실린더형의 면의 섹션(section)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.6. The vacuum gauge of claim 5 wherein the emitter region comprises one or more sections of concave cylindrical faces. 제6항에 있어서, 반응 구역(3)은 필수적으로 실린더형으로서, 이미터 영역에 의해 적어도 부분적으로 취해지는 벽면 중의 필수적으로 실린더형인 부분에 의해 측면으로 범위가 정해지고, 이때 이온 콜렉터(4)는 반응 구역(3)의 축의 부근에 배열되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.7. The reaction zone (3) according to claim 6, wherein the reaction zone (3) is essentially cylindrical, laterally delimited by an essentially cylindrical portion of the wall at least partly taken by the emitter region, wherein the ion collector (4) Is arranged in the vicinity of the axis of the reaction zone (3). 제7항에 있어서, 반응 구역(3)의 직경이 1㎝ 내지 8㎝사이, 바람직하게는 1 ㎝ 내지 6㎝이고, 그 높이는 2㎝ 내지 8㎝, 바람직하게는 2㎝ 내지 5㎝인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.8. The reaction zone (3) according to claim 7, characterized in that the diameter of the reaction zone (3) is between 1 cm and 8 cm, preferably between 1 cm and 6 cm and its height is between 2 cm and 8 cm, preferably between 2 cm and 5 cm. Vacuum measurement gauge. 제7항 또는 제8항에 있어서, 이미터 영역은 완전히 벽면의 실린더형인 부분을 커버하는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.9. The vacuum gauge of claim 7 or 8, wherein the emitter region completely covers the cylindrical portion of the wall. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 이미터 면은, 탄소 나노튜브, 유사 다이아몬드 탄소(diamond-like carbon), 금속 또는 금속 혼합물, 또는 예컨데 카바이드 또는 몰리브덴으로 코팅될 수도 있는 실리콘 같은 반도체 물질로 필수적으로 구성되는 이미터 층(7)의 전면인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.10. The emitter face of claim 1, wherein the emitter face is a carbon nanotube, a diamond-like carbon, a metal or metal mixture, or silicon, which may be coated with, for example, carbide or molybdenum. Vacuum gauge, characterized in that the front of the emitter layer (7) consisting essentially of a semiconductor material. 제10항에 있어서, 상기 이미터 층(7)은 몰리브덴, 텅스텐 또는 바람직하게 스테인레스 스틸로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.Vacuum gauge according to claim 10, characterized in that the emitter layer (7) consists essentially of molybdenum, tungsten or preferably stainless steel. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 이미터 층(7)은 예컨데 화학 기상 증착법(chemical vapour deposition) 또는 물리 기상 증착법(physical vapour deposition)에 의해 벽면 상에 증착된 얇은 층인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.12. The vacuum according to claim 10 or 11, wherein the emitter layer 7 is a thin layer deposited on the wall by, for example, chemical vapor deposition or physical vapor deposition. Instrumentation gauge. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,상기 이미터 면은 적어도 일부의 벽면 그 자체에 의해 형성되고, 이때 상기 벽은 금속 또는 합금으로 구성되며 바람직하게는 스테인레스 스틸로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.10. The emitter face according to claim 1, wherein the emitter face is formed by at least part of the wall face itself, wherein the wall consists of a metal or an alloy and preferably consists of stainless steel. Vacuum measurement gauge. 제13항에 있어서, 상기 이미터 면은 예컨데 기계적으로, 또는 바람직하게는 에칭에 의해, 예컨데 플라즈마 에칭, 또는 보다 바람직하게는 화학적 에칭으로, 거칠게 만들어지는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.14. The vacuum gauge of claim 13, wherein the emitter surface is roughened, for example mechanically, or preferably by etching, for example by plasma etching, or more preferably by chemical etching. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 게이트 간격은 1㎛ 내지 200㎛, 보다 바람직하게 5㎛ 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 14, wherein the gate spacing is 1 µm to 200 µm, more preferably 5 µm to 200 µm. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 게이트(9)는 그리드, 바람직하게 와이어 메쉬인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.16. The vacuum gauge according to any of the preceding claims, characterized in that the gate (9) is a grid, preferably a wire mesh. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서 수단은 이미터 영역에 분포된 전기 절연 스페이서(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.17. The vacuum gauge according to any one of the preceding claims, characterized in that the spacer means comprise electrically insulating spacers (8) distributed in the emitter region. 제17항에 있어서, 상기 게이트는 스페이스의 면을 커버하는 게이트 패치로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.18. The vacuum gauge of claim 17, wherein the gate consists essentially of a gate patch covering the face of the space. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스페이서 수단은 이미터 면을 커버하는 전자 침투성 층(electron-permeable layer)을 포함하고 상기 이미터 면의 전면에 위치한 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.19. The vacuum meter of any one of claims 1 to 18, wherein the spacer means comprises an electron-permeable layer covering the emitter face and is located in front of the emitter face. gauge. 제1항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 콜렉터(4)와 게이트(9) 사이에 배열된 양극(5)을 추가로 포함한 진공 계측 게이지로서, 상기 양극(5)은 이온 콜렉터(4)를 둘러싸는 필수적으로 실린더 형인 그리드로 바람직하게 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.20. The vacuum gauge of any one of the preceding claims further comprising an anode 5 arranged between the ion collector 4 and the gate 9, wherein the anode 5 is an ion collector (20). 4) A vacuum gauge, characterized in that it is preferably composed of an essentially cylindrical grid surrounding it. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 콜렉터(4)는 곧은 전기 전도 소자인 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.21. The vacuum gauge of any one of the preceding claims, wherein the ion collector (4) is a straight electrical conducting element. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징의 외부에 제어 회로(10)을 추가로 포함하는 진공 계측 게이지로서, 상기 제어 회로는, 적어도 하우징에 전기적으로 전도적으로 접속되고 각각의 경우에 피드스루를 통해 게이트(9)와 이온 콜렉터(4)에 접속되며,22. The vacuum measurement gauge according to any one of the preceding claims, further comprising a control circuit (10) outside of the housing, wherein the control circuit is at least electrically conductively connected to the housing and Is connected to the gate 9 and the ion collector 4 via a feedthrough, - 이미터 전압으로 이미터 면을 유지하는 단계Maintaining the emitter surface with the emitter voltage - 이미터 전압 위의 게이트 전압(VG)으로 게이트(9)를 유지하는 단계Maintaining the gate 9 with the gate voltage V G above the emitter voltage - 이미터 전압과 필수적으로 같거나 낮은 콜렉터 전압으로 이온 콜렉터(4)를 유지하는 단계Maintaining the ion collector 4 with a collector voltage essentially equal to or lower than the emitter voltage - 이온 콜렉터(4)로부터 콜렉터 전류(IIC)를 모니터하는 단계에 적합한 것을 Suitable for monitoring the collector current I IC from the ion collector 4 특징으로 하는 진공 계측 게이지.Vacuum gauge gauge. 제22항에 있어서, 상기 게이트 전압(VG)는 이미터 전압보다 200V 내지 1,000V, 바람직하게 200V 내지 600V 높은 것을 특징으로 하는 진공 계측 게이지.23. The vacuum gauge of claim 22, wherein the gate voltage (V G ) is from 200V to 1,000V, preferably from 200V to 600V higher than the emitter voltage.
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